發(fā)布時(shí)間：2021-12-02所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：通過研究角接觸球軸承斷油故障的故障復(fù)現(xiàn)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)斷油耐受能力不足的初期故障模式為滾動(dòng)體與內(nèi)圈之間發(fā)生三點(diǎn)接觸。使用三點(diǎn)接觸分析法對(duì)軸承斷油耐受能力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合相似軸承的計(jì)算分析，結(jié)果進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：墊片角越大，軸承抗斷油能力越差，墊片角為25的
摘要：通過研究角接觸球軸承斷油故障的故障復(fù)現(xiàn)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)斷油耐受能力不足的初期故障模式為滾動(dòng)體與內(nèi)圈之間發(fā)生三點(diǎn)接觸。使用三點(diǎn)接觸分析法對(duì)軸承斷油耐受能力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合相似軸承的計(jì)算分析，結(jié)果進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：墊片角越大，軸承抗斷油能力越差，墊片角為25°的情況下軸承抗斷油能力較差。通過斷油后軸承的瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析，結(jié)合三點(diǎn)接觸分析法，確定原設(shè)計(jì)狀態(tài)的軸承斷油耐受時(shí)間為25s，不具備耐受斷油30s的能力。根據(jù)分析的結(jié)論，將該軸承的墊片角減小到19°，落實(shí)改進(jìn)措施后的軸承通過了試驗(yàn)器驗(yàn)證和發(fā)動(dòng)機(jī)試車驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞：角接觸球軸承;大載荷;滑油中斷;三點(diǎn)接觸;軸承游隙
航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承是支撐發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵零部件[1]。角接觸球軸承作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)推力軸承，是一種應(yīng)用非常廣泛、成熟的軸承類型，其潤(rùn)滑方式一般為油潤(rùn)滑[2]。它主要承受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的軸向載荷，也承擔(dān)一部分徑向載荷。為了增加鋼球數(shù)量，提高軸承的承載能力，通常使用雙半內(nèi)圈角接觸球軸承。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，主軸軸承的工作條件越來越苛刻[3]，甚至在某些狀態(tài)下需要完成高狀態(tài)無油運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)主承載面潤(rùn)滑狀態(tài)迅速惡化，其性能和可靠性受到嚴(yán)峻考驗(yàn)[4]，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承的抗斷油能力有相當(dāng)高的要求[5]，如果軸承在設(shè)計(jì)時(shí)未能給予充分考慮，斷油過程中滾動(dòng)軸承的工作游隙將迅速減小[6]，軸承溫度迅速升高，內(nèi)部接觸面嚴(yán)重磨損，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成軸承卡死[7]，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生嚴(yán)重故障。為了驗(yàn)證軸承在斷油工況下的工作能力，GJB241A⁃2010《航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范》、美國(guó)的JSSG⁃2007B《航空渦噴渦扇渦軸渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合使用規(guī)范指南》等標(biāo)準(zhǔn)中都對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)滑油中斷的工作能力和試驗(yàn)驗(yàn)證提出了明確的要求[8]，型號(hào)規(guī)范上通常要求發(fā)動(dòng)機(jī)在最大狀態(tài)下進(jìn)行30s滑油中斷試車。美國(guó)F117等發(fā)動(dòng)機(jī)也對(duì)其No.3支點(diǎn)軸承在起飛狀態(tài)進(jìn)行了斷油試驗(yàn)研究[9]。
因此，航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承的在高速大載荷工況下滑油中斷耐受能力分析，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承壽命與可靠性研究的重要內(nèi)容之一[10]。
由于滑油中斷過程短，需要進(jìn)行軸承的瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析，國(guó)外Stein等[11]建立了類似于Burton和Steph模型的非常復(fù)雜的軸承內(nèi)部熱傳遞網(wǎng)絡(luò)，考慮了瞬態(tài)熱變化的影響。Parker等[12⁃13]在Shaberth模型的基礎(chǔ)上，采用熱阻網(wǎng)絡(luò)法建立了角接觸球軸承溫度場(chǎng)分布計(jì)算模型。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)在常規(guī)計(jì)算中對(duì)軸承供油噴嘴的壓力、最佳供油、表面應(yīng)力等進(jìn)行較準(zhǔn)確的分析評(píng)估[14]，針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承斷油性能，許多學(xué)者進(jìn)行了較為廣泛的研究[15]，但航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承在高速大載荷工況下的滑油中斷耐受能力分析方面工作較少，主要是進(jìn)行通過性試驗(yàn)。
某型發(fā)動(dòng)機(jī)按照型號(hào)規(guī)范要求在發(fā)動(dòng)機(jī)起飛狀態(tài)開展滑油中斷試車，斷油30s后恢復(fù)滑油供給，在滑油壓力恢復(fù)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生喘振，發(fā)動(dòng)機(jī)下臺(tái)進(jìn)行分解檢查，主推力角接觸球軸承嚴(yán)重?fù)p壞，所有滾珠呈黑色，有嚴(yán)重變形，內(nèi)圈滾道嚴(yán)重磨損并有高溫變色。
因此，本文以Cr4Mo4Ni4V材料的某型發(fā)動(dòng)機(jī)主推力角接觸球軸承為研究對(duì)象，通過游隙變化的計(jì)算、溫度場(chǎng)仿真分析[16⁃17]等手段，分析和研究影響軸承斷油耐受能力的因素，將其結(jié)果用于指導(dǎo)工程實(shí)際應(yīng)用。
1斷油損壞軸承的損傷痕跡及理化分析
1.1外圈
外圈滾道局部宏觀圖像見圖1。外圈滾道表面呈黑色，可見黑色粘著物;沿周向方向存在間隔大體相等的高溫變色現(xiàn)象;在滾道表面及邊緣均存在較嚴(yán)重的摩擦痕跡。
在掃描電鏡下觀察，外圈滾道表面被粘著物覆蓋，以鋼球材料Cr4Mo4V為主，如圖2所示。
外圈橫向截面試樣腐蝕后宏觀圖像見圖3，在滾道表面附近區(qū)域可見明顯的過熱區(qū)(淬火層)，外圈擋邊及其附近區(qū)域可見少量滲碳層，表明由于外圈滾道表面過熱，導(dǎo)致部分滾道表面發(fā)生二次淬火。
故障軸承承載內(nèi)圈已經(jīng)嚴(yán)重磨損，端面存在明顯的高溫變色現(xiàn)象，滾道表面呈黑色，有粘著物，且存在明顯的滑蹭痕跡，在滾道表面附近區(qū)域可見明顯的過熱區(qū)，見圖4。
2滑油中斷試驗(yàn)未通過故障原因
由于發(fā)動(dòng)機(jī)上的故障軸承損壞嚴(yán)重，已經(jīng)無法進(jìn)行深入的故障原因分析，因此開展了試驗(yàn)器上的故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)，故障復(fù)現(xiàn)軸承的形貌見圖5~圖7。根據(jù)斷油試驗(yàn)后損壞的軸承形貌發(fā)現(xiàn)，在斷油的過程中軸承初期故障模式為三點(diǎn)接觸。
因?yàn)槿c(diǎn)角接觸球軸承承載能力大，所以在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主軸軸承領(lǐng)域得到廣泛使用，但該軸承在工作時(shí)要有足夠大的徑向游隙(Pd)來保證兩點(diǎn)接觸，見圖8所示。
如果徑向游隙減小到一定程度，將導(dǎo)致鋼球與內(nèi)圈發(fā)生三點(diǎn)接觸，見圖9。此時(shí)鋼球運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)，與滾道間會(huì)產(chǎn)生很大的滑動(dòng)摩擦，導(dǎo)致軸承急劇溫升，徑向游隙進(jìn)一步減小，軸承卡死損壞。
相關(guān)期刊推薦：《航空動(dòng)力學(xué)報(bào)》主要刊登航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)的原理與設(shè)計(jì)、氣動(dòng)熱力學(xué)、葉輪機(jī)械、燃燒學(xué)、傳熱傳質(zhì)、強(qiáng)度與振動(dòng)、自動(dòng)控制、機(jī)械傳動(dòng)、實(shí)驗(yàn)技術(shù)以及熱動(dòng)力等方面的學(xué)術(shù)論文、研究報(bào)告、綜合評(píng)述等內(nèi)容。
在斷油的工況下，鋼球和內(nèi)圈會(huì)迅速受熱膨脹，而外圈受到軸承座的限制，膨脹速度較慢，導(dǎo)致軸承的工作溫度梯度變大，軸承徑向游隙會(huì)相應(yīng)減小，很快會(huì)發(fā)生三點(diǎn)接觸，導(dǎo)致軸承急劇溫升，徑向游隙進(jìn)一步減小，軸承卡死損壞。
2.1避免三點(diǎn)接觸的極限徑向游隙
三點(diǎn)接觸現(xiàn)象的產(chǎn)生跟軸承的徑向游隙有直接的關(guān)聯(lián)，為了分析軸承游隙相關(guān)參數(shù)對(duì)軸承斷油耐受能力的影響，根據(jù)軸承設(shè)計(jì)方法對(duì)最大墊片角βi,max和避免三點(diǎn)接觸的極限徑向游隙Pd′進(jìn)行計(jì)算[18⁃19]。
2.2不同軸承的對(duì)比分析
在本次斷油未通過故障之前，使用了相似型號(hào)的軸承進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)30s斷油，通過了斷油試驗(yàn)。在發(fā)生故障后在試驗(yàn)器上進(jìn)行了兩種不同型號(hào)軸承的斷油試驗(yàn)，結(jié)果與故障軸承相同型號(hào)的軸承未能通過30s斷油試驗(yàn)，而相似型號(hào)的軸承則通過了30s斷油試驗(yàn)。
根據(jù)文中第2.1節(jié)計(jì)算方法將故障軸承與通過30s斷油的相似型號(hào)軸承進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，對(duì)比結(jié)果見表1。
由式(2)可知，隨著最大墊片角βi，max的增大，主軸軸承抗斷油徑向游隙裕度逐漸減小。因此墊片厚度偏大是造成故障軸承抗斷油能力較差的主要因素。
在不考慮材料線膨脹系數(shù)、軸和軸承座與軸承的過盈配合的情況下，從結(jié)構(gòu)方面的計(jì)算結(jié)果顯示，故障軸承墊片厚度偏大，導(dǎo)致故障軸承抗斷油的熱敏感性更高，更容易產(chǎn)生三點(diǎn)接觸。當(dāng)斷油工作時(shí)，軸承的游隙會(huì)急劇減小，裕度不足會(huì)發(fā)生三點(diǎn)接觸，三點(diǎn)接觸后鋼球與套圈滾道接觸區(qū)出現(xiàn)了滑動(dòng)磨損，溫度急升，導(dǎo)致軸承卡滯破壞。
3斷油軸承溫度場(chǎng)計(jì)算分析
3.1有限元計(jì)算模型的建立
根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)軸承腔的結(jié)構(gòu)，結(jié)合ANSYS建立計(jì)算模型。
針對(duì)軸承腔內(nèi)外工作條件的特點(diǎn)，對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)的軸承腔內(nèi)部的滑油邊界進(jìn)行了劃分。
根據(jù)簡(jiǎn)化的軸承腔結(jié)構(gòu)模型，應(yīng)用赫茲計(jì)算結(jié)果對(duì)軸承進(jìn)行軸對(duì)稱建模，劃分網(wǎng)格，建立有限元模型[20]。將相關(guān)的材料特性賦給模型，以及按照邊界條件的劃分，對(duì)有限元模型的邊界進(jìn)行定義和分組，建立溫度場(chǎng)簡(jiǎn)化模型。以實(shí)測(cè)外圈溫度為140℃為初始條件，確定軸承及相關(guān)部分零件換熱系數(shù)為3000W/(m2·K)，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量平均分配在內(nèi)、外圈上。
3.2穩(wěn)態(tài)熱分析
在ANSYS中將軸承腔穩(wěn)態(tài)邊界條件進(jìn)行加載并計(jì)算，得到穩(wěn)態(tài)熱分析計(jì)算結(jié)果，其溫度分布云圖如圖11所示。可以看出，未斷油情況下，外圈溫度為140℃，內(nèi)圈溫度為160℃，內(nèi)外圈平均溫度差約為20℃。
3.3瞬態(tài)熱分析
在ANSYS中進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析計(jì)算后，將瞬態(tài)邊界條件加載到模型上，并進(jìn)行瞬態(tài)熱分析計(jì)算，得到斷油后30s時(shí)的軸承腔溫度分布云圖如圖12所示。可以看出，外圈溫度為180℃，內(nèi)圈溫度為240℃，斷油30s后內(nèi)外圈平均溫度差約為60℃。
3.4故障機(jī)理分析
經(jīng)實(shí)際測(cè)量，主推力角接觸球軸承在最大工況條件、正常供油情況下，外圈溫度為140℃，以此溫度為初始條件，計(jì)算本次故障軸承在不同的內(nèi)外圈溫差下的徑向工作游隙變化情況(初始游隙取0.2mm)，計(jì)算結(jié)果見表2。
根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制了軸承內(nèi)外圈溫差和抗斷油徑向游隙裕度隨斷油時(shí)間變化圖，見圖13。
在發(fā)動(dòng)機(jī)正常的最大軸向負(fù)荷下，高壓止推球軸承的內(nèi)外圈溫度梯度不超過20℃，在正常工作條件下，軸承抗斷油徑向游隙裕度為0.068mm，軸承有足夠的游隙，不會(huì)發(fā)生三點(diǎn)接觸。
由溫度仿真可知斷油25s后，內(nèi)外圈平均溫度差約為50℃。而計(jì)算結(jié)果表明，在斷油工作條件下如果軸承工作的溫度梯度超過50℃，軸承工作徑向游隙將等于避免三點(diǎn)接觸的極限徑向游隙0.09mm，抗斷油徑向游隙裕度為0mm，發(fā)生三點(diǎn)接觸，在此情況下，軸承的鋼球運(yùn)動(dòng)極不穩(wěn)定，產(chǎn)生大量的熱量，造成軸承故障。由此可見，故障軸承的實(shí)際滑油中斷耐受時(shí)間約為25s。
4軸承的改進(jìn)和驗(yàn)證情況
根據(jù)分析結(jié)果制定了軸承的改進(jìn)方案，將該軸承的墊片角設(shè)計(jì)值從25°減小到19°。
完成改進(jìn)后，選取了3套成品軸承分別進(jìn)行了3次30s地面試驗(yàn)器試驗(yàn)，完成試驗(yàn)后軸承完好，順利通過試驗(yàn)。斷油自0s開始至30s恢復(fù)供油，試驗(yàn)過程中軸承的溫度變化情況見圖14。
完成試驗(yàn)器斷油試驗(yàn)后，開展了發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)斷油30s試車，試驗(yàn)后軸承完好，順利通過試驗(yàn)。
5結(jié)論
1)三點(diǎn)角接觸球軸承斷油耐受能力不足的初期故障模式為鋼球與兩個(gè)內(nèi)圈之間發(fā)生三點(diǎn)接觸。
2)墊片角過大是造成故障軸承抗斷油能力較差的主要因素，減小墊片角有利于軸承抗斷油能力的提高。
3)三點(diǎn)角接觸球軸承的斷油耐受時(shí)間可以用三點(diǎn)接觸分析法結(jié)合溫度場(chǎng)仿真進(jìn)行分析。——論文作者：劉魯1，趙聰1，馮小川2，王黎欽3
